Au@SiO2核壳结构纳米粒子界面的热稳定性

核壳结构复合纳米体系由内核粒子和外壳粒子组成。这类纳米复合材料的外壳粒子可在一定程度上保护内核粒子不受周围介质的影响。通过外壳保护层，可以降低内核粒子的生物毒性；通过外惰性层可阻止内核粒子的聚集；甚至可通过外壳层对内核粒子进行改性。然而，其核壳结构的热稳定性对这类材料的性质及应用十分重要。

图1. Au@SIO2粒子加热前（左图）及经过1100°C加热后（右图）的TEM照片

图2. Au@SIO2粒子加热前（Au-rt）与加热后（Au-rt-T）的衍射谱（左图）以及X射线小角散射强度随随温度的变化（右图）

图3. Au@SiO2纳米粒子的Au－L3吸收边FT谱（左图）和三次循环升温热分析（右图）

中国科学院高能物理研究所吴忠华课题组采用溶胶凝胶方法合成了Au@SiO2的核壳结构纳米粒子如图1所示。他们在北京同步辐射装置（BSRF）上分别测量了该样品体系的X射线衍射（XRD）花样（图2）、小角X射线散射（SAXS）强度（图2）、X射线吸收精细结构（XAFS）谱（图3），并进行了差热分析(DSC, TGA)等（图3）。通过研究获得有关Au@SiO2纳米粒子结构（特别是核壳界面）热稳定性的信息，相关研究结果发表在J. Phys. Chem. C 2010, 114, 41–49上。

结果表明：Au@SiO2核壳结构纳米粒子在600°C以下处于稳定状态；在573°C附近，非晶SiO2壳层转变为β-石英相，同时吸附在Au核表面的APS配位基团发生分解，界面成键方式改变，Au-Si键形成。Au@SiO2核壳界面结构的转变如图4所示。随着温度增加至870°C附近，β-石英向鳞石英转变，SiO2壳层由SiO4四面体结构转变为SiO6八面体结构。这导致SiO2外壳层的结晶，使SiO2壳层中出现裂纹。温度超过Au核的熔点时，熔融态的Au发生流动，Au@SiO2核壳结构彻底遭到破坏，Au-Si键也不复存在。由于Au@SiO2核壳结构的APS界面层或其热分解后留下的空间足以缓冲Au核膨胀的压力，在Au@SiO2核壳结构中Au核的热膨胀系数和块体Au的热膨胀系数相同。

图4  Au@SiO2核壳结构纳米粒子随温度变化过程

发表文章

Kunhao Zhang1, 2, Wei Wang1, 2, Weidong Cheng1, 2, Xueqing Xing1, 2, Guang Mo1, 2, Quan Cai1, Zhongjun Chen1, and Zhonghua Wu1,*, Temperature-Induced Interfacial Change in Au@SiO2 Core-Shell Nanoparticles Detected by Extended X-ray Absorption Fine Structure, J. Phys. Chem. C 114 (2010) 41–49

1 Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

2 Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

* To whom correspondence should be addressed. E-mail: wuzh@ihep.ac.cn.